KR101838707B1 - Method and apparatus for analysis of concentration depletion layer formed in electroviscous flows of fluid - Google Patents
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Abstract
Description
실시예들은 유체의 전기점성(electroviscous) 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 방법 및 장치에 대한 것으로, 보다 구체적으로는, 고분자가 분산된 수용액 등의 유체가 채널 벽면이 하전성을 갖는 미세채널에 흐르는 경우의 유동 특성으로서 미세채널의 벽면에 형성되는 농도결핍층을 해석하는 기술에 대한 것이다. Embodiments relate to a method and apparatus for analyzing a concentration-deficient layer formed in an electroviscous flow of a fluid. More specifically, a fluid such as an aqueous solution in which a polymer is dispersed flows in a microchannel having a channel wall surface having chargeability The present invention relates to a technique for analyzing a concentration-deficient layer formed on a wall surface of a microchannel as a flow characteristic of a microchannel.
미세채널 내에서 고분자가 분산된 수용액 등의 유체 유동에 대한 연구는 오래 전부터 화학, 바이오, 소재 산업 등에서의 제조, 가공 공정, 측정 기술 등에서 중요하게 여겨져 왔으며, 또한 크로마토그래피(chromatography)나 전기영동(electrophoresis)과 같은 분석 및 분리 기술에서도 중요하다. 특히, 오늘날의 분석 기술에서는 채널 단면의 직경(혹은 폭)이 마이크로미터 범위인 미세유체 칩(microfluidic chip)을 많이 사용하게 되어, 유체 유동에 대한 연구의 중요성이 더욱 높아지고 있다. Studies on the fluid flow such as aqueous solution in which the polymer is dispersed in the microchannel have long been regarded as important in the manufacturing, processing, and measurement techniques in the chemical, biotechnology, materials industries, electrophoresis). Particularly, in today's analytical technology, the use of microfluidic chips having a diameter (or width) in the micrometer range of the channel cross section is heavily used, and the study of fluid flow is becoming more important.
물 혹은 염화나트륨(NaCl) 및 염화칼륨(KCl)과 같은 전해질 용액과 같은 단순 유체(simple fluid)가 미세채널에 흐르는 경우에는, 반경(radial) 방향의 속도 분포만 형성된다. 하지만 분자량이 크고 길이가 긴 사슬구조를 갖는 고분자가 분산된 수용액이 미세채널에 있게 되면 보다 복잡한 거동이 나타난다. 고분자 사슬은 일정하지 않고 용매와의 상호작용에 의한 브라운(Brown) 운동으로 계속 변하면서 동시에 채널 벽면에 의한 표면배제(surface exclusion) 영향을 받으며, 더욱이 속도장이 인가되면 채널 중심에서 채널 벽면 방향에 따른 응력 구배(stress gradient)로 사슬 구조(conformation)의 변화뿐만 아니라 회전에 의한 배향(orientation)도 나타낸다. When a simple fluid such as water or an electrolyte solution such as sodium chloride (NaCl) and potassium chloride (KCl) flows through the microchannels, only a velocity distribution in the radial direction is formed. However, more complicated behaviors occur when an aqueous solution containing a polymer having a long molecular chain and a long chain structure is present in the microchannel. The polymer chains are not constant and are continuously changed by Brownian motion due to the interaction with the solvent. At the same time, they are affected by surface exclusion due to the channel wall surface. Further, when the velocity field is applied, The stress gradient not only changes the chain conformation but also shows the orientation by rotation.
도 1은 고분자 사슬의 배향 운동에 따라 채널 벽면 부근에 농도결핍층(concentration depletion layer)이 형성되는 과정을 나타내는 도면이다.FIG. 1 is a view showing a process in which a concentration depletion layer is formed in the vicinity of a channel wall surface in accordance with alignment motion of a polymer chain.
도 1을 참조하면, 채널 벽면(1)에서 멀리 떨어져서 벽면의 영향이 없는 벌크(bulk) 영역에서 고분자(2) 사슬은 자유롭게 배향하지만, 채널 벽면(1) 부근에서는 표면배제에 의해 고분자(2)가 접근하기 힘들어서 고분자 농도가 벌크 영역에서 보다 낮은 이른바 농도결핍층이 일정한 두께로 형성된다. 그리고, 농도결핍층에서 고분자(2) 사슬은 벽면과 나란한 형태를 갖게 되어 벌크 영역에서 보다 상대적으로 빠른 속도로 흐르는 이른바 미끄럼(slip) 현상이 나타난다. 이러한 거동에 관해서는 이미 오래 전부터 보고되어 왔는바, 예를 들어 P.O. Brunn, "The effect of a solid wall for the flow of dilute macromolecular solutions", Rheologica Acta, 15, 23-29 (1976)와 H.A. Barnes, "A review of the slip (wall depletion) of polymer solutions, emulsions and particle suspensions in viscometers: its cause, character, and cure", Journal of non-Newtonian Fluid Mechanics, 56, 221-251 (1995) 등을 통하여 알려져 있다.1, the
한편, 채널 벽면(1)이 하전되어 있으면 용액내의 전해질 이온의 움직임으로 인해 벽면(1) 주위에는 전기이중층(electric double layer)이 형성된다. 도 1처럼 채널 벽면(1)이 음이온으로 하전되면 벽면(1) 주위에는 양이온이 집중된 전기이중층이 형성되나, 채널 벽면(1)이 양이온으로 하전되면 벽면(1) 주위에는 음이온이 집중된 전기이중층이 형성된다. 염화칼륨(KCl) 및 염화나트륨(NaCl)과 같이 1:1로 해리되는 전해질인 경우, nm 단위를 갖는 전기이중층 두께 κ-1 는 하기 수학식 1과 같이 이온농도의 함수로 산출될 수 있다. On the other hand, if the
이에 따라 전기이중층 두께는 2차 증류수와 같이 가장 낮은 이온농도 한계인 10-4 mM 에서는 965 nm이고 가장 높은 한계인 100 mM에서는 0.97 nm 값을 갖는다. As a result, the thickness of the electric double layer is 965 nm at the lowest ion concentration limit of 10 -4 mM, and 0.97 nm at the highest limit of 100 mM.
도 2a 및 2b는 입자를 포함하지 않는 단순 유체가 각각 비하전된(uncharged) 채널에 흐르는 경우와 하전된(charged) 채널에 흐르는 경우의 속도분포를 나타낸 도면이다. 도 2a 및 2b에서 채널 폭은 2W이며, z축은 유체의 흐름 방향을 나타내며, y축은 유체의 흐름 방향과 직교하며 미세채널의 중심으로부터 벽면을 향하는 방향을 나타낸다.FIGS. 2A and 2B are graphs showing velocity distributions when simple fluids that do not include particles flow through uncharged channels and when they flow through charged channels, respectively. In FIGS. 2A and 2B, the channel width is 2W, the z axis represents the flow direction of the fluid, and the y axis represents the direction perpendicular to the fluid flow direction and toward the wall surface from the center of the microchannel.
도 2a 및 2b에 도시된 것과 같이, 전기이중층이 형성되면 전기이중층이 없는 경우보다 흐름이 억제되는 이른바 전기점성(electroviscous) 효과가 발생되는 바, Yun 등(J.H. Yun, M.-S. Chun, H.W. Jung, "The geometry effect on steady electrokinetic flows in curved rectangular microchannels", Physics of Fluids, 22, 052004, 2010) 에서는 흐름이 억제되는 정도를 명목적으로 점도 증가로서 설명하였다. 다음의 수학식 2와 같이, 비하전된 채널에서의 부피유량 Q f과 하전된 채널에서의 부피유량 Q f,ch 의 비는, 부피유량을 채널단면으로 나눈 것이 평균유속이므로 비하전된 채널에서의 평균유속 <v f> 및 하전된 채널에서의 평균유속 <v f>ch 의 비와 같고, 이는 하전된 채널에서의 점도 μch 와 비하전된 채널에서의 점도 μ의 비이다. As shown in FIGS. 2A and 2B, when an electric double layer is formed, a so-called electroviscous effect is produced in which the flow is suppressed as compared with the case where the electric double layer is not provided, and Yun et al. (JH Yun, M.-S. Chun, HW Jung, "The geometry effect on steady electrokinetic flows in curved rectangular microchannels", Physics of Fluids, 22, 052004, 2010). As in the following equation (2), compared the volume flow in the entire channel Q f and the volume flow rate Q f, the ratio of the ch in the charged channel, so that the average flow rate obtained by dividing the volume flow into the channel cross-section in the uncharged channel V f > and the average flow rate in the charged channel < v f > ch , which is the ratio of the viscosity μ ch in the charged channel to the viscosity μ in the uncharged channel.
즉, 수학식 2는 전기점성의 척도로서, Q f/Q f,ch = <v f>/<v f>ch = μch/μ > 1 를 만족한다. That is,
단순 수용액과 달리 고분자가 분산된 수용액이 미세채널에 흐르게 되면 채널벽면의 영향으로 고분자가 채널중심 방향으로 이동하므로 속도분포와 함께 고분자의 농도분포도 형성된다. Unlike a simple aqueous solution, when a polymer-dispersed aqueous solution flows through the microchannel, the polymer moves toward the center of the channel due to the influence of the channel wall surface, so that the concentration distribution of the polymer is formed along with the velocity distribution.
도 3a 및 3b는 각각 단순 유체와 고분자가 분산된 유체가 하전된 미세채널에 흐르는 경우의 속도분포와 농도분포를 나타낸 도면이다. 도 3a 및 3b에서는, 도 2a 및 2b를 참조하여 전술한 채널 형상 및 방향에 더하여, 농도결핍층 두께 d와 전기이중층 두께 κ-1 이 동일한 것으로 가정하였고, 농도결핍층에서의 농도분포는 선형(linear) 함수 모델로 가정하였다. 농도분포란 고분자의 존재에 대한 확률밀도함수를 의미한다. 3A and 3B are graphs showing a velocity distribution and a concentration distribution when a simple fluid and a polymer-dispersed fluid flow in a charged microchannel, respectively. 3A and 3B, it is assumed that the concentration-depletion layer thickness d and the electric double layer thickness K -1 are the same in addition to the channel shape and direction described above with reference to FIGS. 2A and 2B, and the concentration distribution in the concentration- linear function model. Concentration distribution means a probability density function for the presence of a polymer.
도 3a에 도시된 단순 유체 유동의 경우, 속도분포(v(y))는 채널의 양 벽면(1)에서 가장 작은 속도를 가지며 채널 중심에서 가장 큰 속도를 가지는 포물선 형태이고, 농도분포는 일정한 값(예컨대, Cb)을 갖는다. 한편, 도 3a에 도시된 단순 유체의 유동과 달리, 도 3b에 도시된 것과 같이 고분자가 분산된 유체가 미세채널에 흐르게 되면 채널 벽면(1)의 영향으로 고분자가 채널 중심 방향으로 이동하므로 속도분포(v(y))와 함께 농도분포(C(y))도 형성된다. 여기서, 속도분포는 포물선(v(y)) 형태이고, 농도분포(C(y))는 벌크 영역에서는 일정한 값(예컨대, Cb)이고 농도결핍층에서는 채널 벽면(1)에 가까울수록 농도가 감소하는 형태를 갖는다. In the case of the simple fluid flow shown in FIG. 3A, the velocity distribution v (y) is a parabolic shape having the smallest velocity at both
농도결핍층의 두께를 알아야 고분자 수용액의 유동특성을 파악할 수 있고, 농도결핍층의 두께는 궁극적으로는 제조, 가공, 측정, 분석 및 분리 성능에 중요하게 작용한다. 그런데 농도결핍층의 두께는 고분자 사슬의 크기, 고분자의 분산농도, 채널 단면의 형태, 채널 양단의 압력차, 고분자 사슬과 채널 벽면의 하전성에 따라 변화하므로 그 두께를 알아내는 방법은 쉽지가 않다. It is necessary to know the thickness of the concentration-deficient layer to understand the flow characteristics of the aqueous polymer solution, and the thickness of the concentration-deficient layer ultimately plays an important role in production, processing, measurement, analysis and separation performance. However, the thickness of the concentration-deficient layer varies depending on the size of the polymer chain, the dispersion density of the polymer, the shape of the channel cross-section, the pressure difference across the channel, and the chargeability of the polymer chain and channel walls, .
종래에는 농도결핍층의 두께를 알아내기 위하여 고분자 사슬을 형광 염색시키고 현미경으로 미세채널에서 고분자 사슬의 이미지를 관측하는 직접적인 기법이 주로 많이 시도되었는데, 하기 표 1은 미세채널에서 농도결핍층을 직접 관측하기 위한 종래 기술들의 특징을 비교하여 나타낸 것이다. 표 1에 도시된 것과 같이, 입자이미지 속도기법(Particle Image Velocimetry; PIV)이나 내부 전반사 속도기법(Total Internal Reflection Velocimetry; TIRV)은 정확도는 높지만 장비가 매우 고가이고 이미지 분석과정이 복잡하다. 반면, 입자궤적 속도기법(Particle Streak Velocimetry; PSV)은 장비는 상대적으로 저렴하지만 정확도에 한계가 있다.Conventionally, a direct technique for observing the image of a polymer chain in a microchannel by fluorescence staining of a polymer chain in order to determine the thickness of a concentration-depleted layer has been mainly tried. Table 1 below shows a direct observation of a concentration- And comparing the features of the prior art for comparison. As shown in Table 1, the Particle Image Velocimetry (PIV) or the Total Internal Reflection Velocimetry (TIRV) is highly accurate, but the equipment is very expensive and the image analysis process is complicated. Particle Streak Velocimetry (PSV), on the other hand, is relatively inexpensive but has limited accuracy.
(Confocal microscope)Confocal microscope
(Confocal microscope)
(Double-fluorescence microscope)Dual fluorescence microscope
(Double-fluorescence microscope)
(Fluorescence microscope)Fluorescence microscope
(Fluorescence microscope)
본 발명의 일 측면에 따르면, 고가의 광학 장비와 복잡한 이미지 분석 과정이 필요 없이, 점도의 함수인 속도분포와 농도분포의 결합으로 구성되는 관계식과 실험적으로 측정한 부피유량으로부터 하전성을 갖는 미세채널 벽면 부근에 형성되는 농도결핍층 두께를 산출하며, 채널 벽면이 하전되면 나타나는, 속도분포에서 점도가 채널의 반경 방향에 따라 변하는 의존성을 반영하여 농도결핍층을 더욱 정확하게 해석하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.According to one aspect of the present invention, there is provided a method for producing a microchannel having chargeability from a relational expression consisting of a combination of a velocity distribution and a concentration distribution, which is a function of viscosity, and an experimentally measured volume flow rate, An apparatus and method for calculating a density-depleted layer thickness in the vicinity of a wall surface and reflecting the dependence of the viscosity on the radial direction of the channel in the velocity distribution, which occurs when the channel walls are charged, to more accurately analyze the concentration-depleted layer .
일 실시예에 따른, 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 방법은, 채널에 주입된, 입자가 분산되지 않은 단순 유체의 부피유량을 측정하는 단계; 상기 채널에 주입된, 용매 내에 입자가 분산되어 있는 분산 유체의 부피유량 및 평균유속을 측정하는 단계; 상기 단순 유체의 부피유량 및 상기 분산 유체의 부피유량을 이용하여 상기 채널 내의 상기 분산 유체의 점도분포식을 수립하는 단계; 상기 채널 양단의 압력차, 상기 분산 유체의 부피유량, 상기 점도분포식 및 미리 설정된 농도분포식을 이용하여, 상기 채널 내를 흐르는 상기 분산 유체의 평균유속을 산출하는 단계; 및 상기 측정하는 단계에서 측정된 평균유속과 상기 산출하는 단계에서 산출된 평균유속을 비교한 것에 기초하여, 상기 분산 유체의 흐름에 의해 상기 채널 내에 형성되는 농도결핍층 두께를 결정하는 단계를 포함한다.According to one embodiment, a method of analyzing a concentration-deficient layer formed in an electrical viscous flow of a fluid comprises the steps of: measuring a volumetric flow rate of a simple fluid that is injected into a channel; Measuring a volumetric flow rate and an average flow rate of a dispersion fluid having particles dispersed in a solvent injected into the channel; Establishing a viscosity distribution equation of the dispersion fluid in the channel using the volume flow rate of the simple fluid and the volume flow rate of the dispersion fluid; Calculating an average flow velocity of the dispersed fluid flowing in the channel using a pressure difference across the channel, a volume flow rate of the dispersed fluid, the viscosity distribution equation and a predetermined concentration distribution equation; And determining the concentration-depleted layer thickness to be formed in the channel by the flow of the dispersed fluid based on comparing the average flow rate measured in the measuring step with the average flow rate calculated in the calculating step .
일 실시예에서, 상기 점도분포식을 수립하는 단계는, 상기 단순 유체의 부피유량을 이용하여 상기 단순 유체의 점도를 결정하는 단계; 및 상기 채널 양단의 압력차 및 상기 분산 유체의 부피유량을 이용하여 상기 분산 유체의 점도를 결정하는 단계를 포함한다.In one embodiment, establishing the viscosity distribution equation comprises: determining a viscosity of the simple fluid using the volume flow rate of the simple fluid; And determining a viscosity of the dispersion fluid by using a pressure difference across the channel and a volume flow rate of the dispersion fluid.
일 실시예에서, 상기 점도분포식을 수립하는 단계는, 상기 분산 유체의 상기 농도결핍층에서의 점도 분포를 상기 단순 유체의 점도 및 상기 분산 유체의 점도를 이용한 함수로서 정의하는 단계를 더 포함한다. 예컨대, 상기 함수는 상기 채널의 벽면에 인접할수록 점도가 감소하는 계단함수 또는 선형함수이다.In one embodiment, establishing the viscosity distribution equation further comprises defining a viscosity distribution in the concentration-deficient layer of the dispersion fluid as a function of the viscosity of the simple fluid and the viscosity of the dispersion fluid . For example, the function is a step function or a linear function whose viscosity decreases as it approaches the wall surface of the channel.
일 실시예에서, 상기 분산 유체의 평균유속을 산출하는 단계는, 상기 채널 양단의 압력차, 상기 채널의 길이, 상기 채널의 폭 및 상기 점도분포식을 이용하여 상기 채널 내의 상기 유체의 속도분포를 산출하는 단계; 상기 유체의 속도분포와 미리 설정된 농도분포를 곱한 값을 상기 채널의 단면적에 대하여 적분하는 단계; 및 상기 적분하는 단계에 의해 얻어진 값을, 상기 농도분포를 상기 채널의 단면적에 대하여 적분한 값으로 나누어 상기 분산 유체의 평균유속을 산출하는 단계를 포함한다.In one embodiment, the step of calculating an average flow velocity of the dispersed fluid may include calculating a velocity distribution of the fluid in the channel using a pressure difference across the channel, a length of the channel, a width of the channel, Calculating; Integrating a value obtained by multiplying a velocity distribution of the fluid by a preset concentration distribution with respect to a cross-sectional area of the channel; And calculating the average flow velocity of the dispersed fluid by dividing the value obtained by the integrating step by a value obtained by integrating the concentration distribution with respect to the cross-sectional area of the channel.
일 실시예에 따른 농도결핍층 해석 방법은, 상기 채널 내의 상기 단순 유체의 평균유속을 산출하는 단계; 및 상기 산출하는 단계에서 산출된 상기 분산 유체의 평균유속과 상기 단순 유체의 평균유속의 비를 산출하는 단계를 더 포함한다.A method of analyzing a concentration-deficient bed according to an embodiment includes calculating an average flow velocity of the simple fluid in the channel; And calculating a ratio of an average flow velocity of the dispersed fluid calculated in the calculating step and an average flow velocity of the simple fluid.
일 실시예에 따른, 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 장치는, 유체가 흐르기 위한 채널, 상기 채널 내로 상기 유체를 주입하기 위한 유입구, 및 상기 채널로부터 상기 유체가 유출되기 위한 유출구가 형성된 미세유체칩; 상기 유입구로부터 상기 유출구로의 상기 유체의 흐름을 생성하도록 일정 압력으로 작동하는 펌프; 상기 채널 양단의 압력차를 측정하도록 구성된 압력계; 및 상기 압력계의 측정값을 이용하여 상기 채널 내에 형성된 농도결핍층 두께를 산출하도록 구성된 산출부를 포함한다.According to one embodiment, an apparatus for analyzing concentration-deficient layers formed in an electrical viscous flow of a fluid includes a channel for flowing fluid, an inlet for injecting the fluid into the channel, and an outlet for discharging the fluid from the channel A microfluidic chip formed; A pump operating at a constant pressure to produce a flow of the fluid from the inlet to the outlet; A pressure gauge configured to measure a pressure difference across the channel; And a calculator configured to calculate a density-depleted layer thickness formed in the channel using the measured value of the pressure gauge.
상기 산출부는, 상기 채널에 주입된 입자가 분산되지 않은 단순 유체의 부피유량을 측정하고, 상기 채널에 주입된 용매 내에 입자가 분산되어 있는 분산 유체의 부피유량 및 평균유속을 측정하며, 상기 단순 유체의 부피유량 및 상기 분산 유체의 부피유량을 이용하여 상기 채널 내의 상기 분산 유체의 점도분포식을 수립하고, 상기 채널 양단의 압력차, 상기 분산 유체의 부피유량, 상기 점도분포식 및 미리 설정된 농도분포식을 이용하여, 상기 채널 내를 흐르는 상기 분산 유체의 평균유속을 산출하고, 상기 측정된 평균유속과 상기 산출된 평균유속을 비교한 것에 기초하여, 상기 분산 유체의 흐름에 의해 상기 채널 내에 형성되는 농도결핍층 두께를 결정하도록 더 구성된다.Wherein the calculation unit measures a volume flow rate of the simple fluid in which the particles injected into the channel are not dispersed and measures a volume flow rate and an average flow velocity of the dispersion fluid in which the particles are dispersed in the solvent injected into the channel, And the volume flow rate of the dispersed fluid is used to establish a viscosity distribution formula of the dispersed fluid in the channel, and the pressure difference across the channel, the volume flow rate of the dispersed fluid, the viscosity distribution formula, Based on a result of calculating an average flow velocity of the dispersion fluid flowing in the channel and comparing the measured average flow velocity with the calculated average flow velocity, Is further configured to determine the concentration-depleted layer thickness.
일 실시예에서, 상기 채널은 슬릿형(slit-like), 삼각형, 사각형, 또는 원 형상의 단면을 갖는다.In one embodiment, the channel has a slit-like, triangular, square, or circular cross-section.
일 실시예에서, 상기 채널의 단면의 폭은 상기 채널의 단면의 높이의 1/3 이하이다.In one embodiment, the width of the cross-section of the channel is less than 1/3 of the height of the cross-section of the channel.
일 실시예에서, 상기 미세유체칩은, 상기 채널, 상기 유입구 및 상기 유출구가 형성된 제1 기판; 및 상기 제1 기판을 덮도록 상기 제1 기판에 접합되는 제2 기판을 포함한다.In one embodiment, the microfluidic chip comprises: a first substrate on which the channel, the inlet and the outlet are formed; And a second substrate bonded to the first substrate to cover the first substrate.
일 실시예에 따른 농도결핍층 해석 장치는, 상기 유출구에 연결되며, 일정한 간격으로 표시된 눈금을 포함하는 유출 튜빙을 더 포함한다.The apparatus for analyzing the concentration-deficient bed according to an embodiment further includes an outflow tubing connected to the outflow port and including a graduated interval.
일 실시예에 따른 농도결핍층 해석 장치는, 상기 유출 튜빙의 눈금을 이용하여 상기 채널 내를 흐르는 상기 단순 유체 또는 상기 분산 유체의 부피유량을 측정하도록 구성된 유량계를 더 포함한다.The concentration-deficient layer analyzing apparatus according to an embodiment further includes a flow meter configured to measure a volume flow rate of the simple fluid or the dispersing fluid flowing in the channel using the scale of the outflow tubing.
일 실시예에서, 상기 산출부는, 상기 단순 유체의 부피유량을 이용하여 상기 단순 유체의 점도를 결정하며, 상기 채널 양단의 압력차 및 상기 분산 유체의 부피유량을 이용하여 상기 분산 유체의 점도를 결정하고, 상기 분산 유체의 상기 농도결핍층에서의 점도 분포를 상기 단순 유체의 점도 및 상기 분산 유체의 점도를 이용한 함수로서 정의하도록 더 구성된다. 예컨대, 상기 함수는 상기 채널의 벽면에 인접할수록 점도가 감소하는 계단함수 또는 선형함수이다.In one embodiment, the calculating unit determines the viscosity of the simple fluid using the volume flow rate of the simple fluid, determines the viscosity of the dispersion fluid by using the pressure difference across the channel and the volume flow rate of the dispersion fluid And to define a viscosity distribution of the dispersion fluid in the concentration-deficient layer as a function of the viscosity of the simple fluid and the viscosity of the dispersion fluid. For example, the function is a step function or a linear function whose viscosity decreases as it approaches the wall surface of the channel.
일 실시예에서, 상기 산출부는, 상기 단순 유체의 평균유속을 산출하며, 산출된 상기 분산 유체의 평균유속과 상기 단순 유체의 평균유속의 비를 산출하도록 더 구성된다.In one embodiment, the calculating unit is further configured to calculate an average flow rate of the simple fluid, and to calculate a ratio of the calculated average flow rate of the dispersion fluid to the average flow rate of the simple fluid.
본 발명의 일 측면에 따른, 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 장치 및 방법에 의하면, 점도의 함수인 속도분포와 농도분포의 결합으로 구성되는 관계식과 실험적으로 측정한 부피유량으로부터 미세채널 벽면 부근에 형성되는 농도결핍층 두께를 산출할 수 있다. According to one aspect of the present invention, an apparatus and method for analyzing a concentration-deficient layer formed in an electric viscous flow of a fluid is characterized in that a relationship between a velocity distribution and a concentration distribution, which is a function of viscosity, The concentration-depleted layer thickness formed near the channel wall surface can be calculated.
그 결과, 종래와 같이 고분자 수용액의 흐름을 가시화하기 위한 고가의 광학 장비와 복잡한 이미지 분석 과정 없이 신속하고 용이하게 다양한 조건에 대한 농도결핍층 두께를 산출할 수 있어, 신속성, 수월성 및 경제성 면에서 유리하다. 특히, 채널벽면의 하전성에 의한 전기점성 흐름에서의 농도결핍층 두께를 산출할 수 있으므로 농도결핍층 해석의 정확성이 더욱 향상될 수 있다. As a result, it is possible to quickly and easily calculate the concentration-depleted layer thickness for various conditions without expensive optical equipment and a complex image analysis process for visualizing the flow of the aqueous polymer solution as in the prior art, Do. In particular, since the concentration-depleted layer thickness can be calculated in the electrical viscous flow due to the chargeability of the channel walls, the accuracy of the concentration-deficient layer analysis can be further improved.
상기 농도결핍층 해석 장치 및 방법은 채널 단면의 형태가 슬릿형(slit-like), 삼각형, 사각형, 혹은 원형으로서 단면의 폭(혹은 직경)이 1 마이크로미터 내지 수 밀리미터 범위인 미세채널에 다양한 분자량의 고분자가 흐르는 경우에 모두 적용될 수 있다. The apparatus and method for analyzing the concentration-deficient layer can be applied to a microchannel having a slit-like, triangular, quadrangular, or circular cross-sectional shape with a cross-sectional width (or diameter) ranging from 1 micrometer to several millimeters, Of the polymer can be applied.
도 1은, 고분자 사슬의 배향 운동에 따라 채널 벽면 부근에 농도결핍층과 전기이중층이 형성되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 2a 및 2b는, 단순 유체가 각각 비하전된 채널에 흐르는 경우와 하전된 채널에 흐르는 경우의 속도분포를 나타낸 도면이다.
도 3a 및 3b는 각각 단순 유체와 고분자가 분산된 유체가 하전된 미세채널에 흐르는 경우의 속도분포와 농도분포를 나타낸 도면이다. 여기서 농도결핍층 두께와 전기이중층 두께는 같은 경우로 가정하였다.
도 4는 일 실시예에 따른 농도결핍층 해석 방법에 사용되는 슬릿형(slit-like) 미세채널의 단면을 나타내는 도면이다.
도 5는 미세채널 내부의 중심으로부터 하전된 채널 벽면까지의 선형 점도분포 및 선형 농도분포를 나타내는 그래프이다.
도 6은, 일 실시예에 따른, 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 방법의 순서도이다.
도 7은, 일 실시예에 따른, 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 장치의 구성도이다.
도 8은, 고분자인 잔탄(xanthan)의 분산농도에 따라 산출된 미세채널 벽면 부근에 형성된 농도결핍층 두께를 나타낸 그래프이다.
도 9는 고분자인 잔탄의 분산농도에 따라 산출된 분산 수용액의 평균유속과 단순 수용액인 2차 증류수의 평균유속간의 비를 나타낸 그래프이다.1 is a view showing a process in which a concentration-deficient layer and an electric double layer are formed in the vicinity of a channel wall surface in accordance with the alignment motion of a polymer chain.
2A and 2B are graphs showing the velocity distribution when simple fluid flows through each uncharged channel and when it flows through a charged channel.
3A and 3B are graphs showing a velocity distribution and a concentration distribution when a simple fluid and a polymer-dispersed fluid flow in a charged microchannel, respectively. Here, it is assumed that the concentration-deficient layer thickness and the electric double layer thickness are the same.
4 is a cross-sectional view of a slit-like microchannel used in a concentration-deficient layer analysis method according to an embodiment.
5 is a graph showing the linear viscosity distribution and the linear concentration distribution from the center of the microchannel to the charged channel wall surface.
6 is a flow diagram of a method for analyzing concentration-deficient layers formed in an electrical viscous flow of a fluid, according to one embodiment.
7 is a configuration diagram of a concentration-deficient layer analyzing apparatus formed in an electric viscous flow of fluid according to an embodiment.
8 is a graph showing the concentration-depleted layer thickness formed near the wall surface of the microchannel calculated according to the dispersion concentration of xanthan as a polymer.
9 is a graph showing the ratio between the average flow rate of the aqueous dispersion solution calculated based on the dispersion concentration of the xanthan gum, which is a polymer, and the average flow rate of the second distilled water, which is a simple aqueous solution.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
분자량이 크고 길이가 긴 사슬 구조를 갖는 고분자와 같은 입자가 용매 내에 분산된 유체가 미세채널에 있게 되면, 입자와 용매의 상호작용에 의한 브라운(Brown) 운동, 채널 벽면에 의한 표면배제(surface exclusion) 영향, 채널 중심에서 채널 벽면 방향에 따른 응력 구배(stress gradient)로 인한 사슬 구조의 변화 및 회전에 의한 배향(orientation) 등에 의하여 채널의 벽면 부근에 벌크(bulk) 영역에 비해 고분자 농도가 상대적으로 낮은 농도결핍층(concentration depletion layer)이 형성된다. When a fluid such as a polymer having a high molecular weight and a long chain structure is dispersed in a solvent in a microchannel, a Brownian motion due to the interaction of the particles and the solvent, a surface exclusion ), The change of the chain structure due to the stress gradient along the channel wall direction from the center of the channel, and the orientation due to the rotation, or the like, the polymer concentration is relatively higher in the vicinity of the wall surface of the channel than in the bulk region A low concentration depletion layer is formed.
본 발명의 실시예들은 종래와 같이 농도결핍층을 직접적으로 관측하는 대신, 유체의 흐름에 대한 물리적 원리를 이용한 계산 방법과 간단한 실험 방법을 결합하여 신속하게 농도결핍층 두께를 산출하는 등 농도결핍층을 해석할 수 있는 농도결핍층 해석 장치 및 방법에 대한 것이다. 특히, 채널벽면의 하전성에 의한 전기점성 흐름에 있어서 유체의 흐름에 대한 물리적 원리를 이용한 계산방법과 간단한 실험방법에 의해 정확한 농도결핍층 해석이 가능하다. Embodiments of the present invention can be applied to a concentration-deficient layer, such as a concentration-deficient layer, by combining a calculation method using a physical principle of fluid flow and a simple experimental method, instead of directly observing a concentration- And a method for analyzing a concentration-deficient layer. Especially, it is possible to analyze the concentration-deficient layer accurately by the calculation method using the physical principle of the fluid flow and the simple experiment method in the electric viscous flow due to the chargeability of the channel walls.
본 명세서에서 "미세채널"이란, 단면의 폭(또는, 직경)이 1 마이크로미터 내지 수 밀리미터 범위인 임의의 형상을 가지고 벽면이 하전된 채널을 지칭하는 것으로서, 단순히 "채널"로도 지칭된다. 도 4는 일 실시예에 따른 농도결핍층 해석 방법에 사용되는 슬릿형(slit-like) 미세채널의 단면을 나타내는 도면으로서, 본 명세서에서는 채널폭이 2W, 높이가 H, 길이가 L이며 채널폭이 높이와 길이에 비해 매우 작아서 상대적으로 단순한 형태인 슬릿 채널에 대해 서술한다. 예를 들어, 채널의 단면의 폭은 채널의 단면의 높이의 1/3이하일 수 있다. 그러나, 실시예들에서 미세채널의 단면의 형태는 슬릿형에 한정되는 것은 아니며, 삼각형, 사각형, 원형 또는 다른 상이한 형상일 수 있다. As used herein, the term "microchannel" refers to a wall-charged channel having any shape with a width (or diameter) in the range of 1 micrometer to several millimeters in cross-section, and is also referred to simply as a "channel". 4 is a cross-sectional view of a slit-like microchannel used in a concentration-deficient layer analysis method according to an embodiment. In this specification, the channel width is 2W, the height is H, the length is L, Described herein is a relatively simple slit channel that is very small in comparison to its height and length. For example, the width of the cross section of the channel may be less than 1/3 of the height of the cross section of the channel. However, in embodiments, the shape of the cross-section of the microchannel is not limited to a slit shape, but may be triangular, square, round or other different shape.
본 명세서에서 "입자"란 용매내에 분산되어서 채널 벽면에 의하여 영향을 받아 농도결핍층을 형성하는 유동 특성을 가지는 물질로서, 예를 들면 분자량이 크고 길이가 긴 사슬 구조를 갖는 고분자일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에서 "용매"란 전술한 입자가 내부에 분산된 상태에서 압력에 의하여 채널 내에서 흐를 수 있는 물질로서, 예컨대, 물일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. As used herein, the term "particle" refers to a substance having a flow characteristic of being dispersed in a solvent and being affected by a channel wall surface to form a concentration-depleted layer, for example, a polymer having a large molecular weight and a long chain structure, But is not limited thereto. In the present specification, the term "solvent" refers to a substance that can flow in the channel by pressure in a state where the particles are dispersed in the inside, for example, water, but is not limited thereto.
도 4에 도시된 것과 같은 미세채널은 미세기전시스템(Micro-Electromechanical System; MEMS), 미세가공(microfabrication) 또는 다른 적당한 가공 기술에 의해 원하는 크기의 단면을 갖는 형상으로 미세유체 칩(chip) 상에 제작될 수 있다. 미세유체 칩의 재질로는 가공하기 쉽고 저렴한 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS)과 같은 플라스틱 소재나, 가공하기가 상대적으로 어렵지만 표면 하전성이 PDMS에 비해 상대적으로 높으며 표면이 음전하로 하전되어 있는 실리콘, 유리, 석영 등이 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The microchannels as shown in Figure 4 may be formed on a microfluidic chip in a shape having a desired cross-section by a micro-electromechanical system (MEMS), microfabrication, or other suitable processing technique Can be produced. The microfluidic chip is made of plastic materials such as polydimethylsiloxane (PDMS), which is easy to process and cheap, or silicon, which is relatively difficult to process, but whose surface charge is relatively higher than that of PDMS and whose surface is negatively charged, Glass, quartz, and the like may be applied, but the present invention is not limited thereto.
채널 폭이 2W이고 길이가 L인 슬릿 형태의 채널 양단에 압력차 ΔP가 인가되었을 경우, 채널 내를 흐르는 점도가 μ인 유체의 속도분포식은 포물선 형태로서 하기 수학식 3과 같다. When a pressure difference? P is applied to both ends of a slit-shaped channel having a channel width of 2W and a length of L, the velocity distribution expression of a fluid having a viscosity of? Flowing in the channel is a parabolic shape,
본 명세서에서는, 도 2 및 도 3에 도시한 것과 같이 채널 내의 유체의 흐름 방향을 z축 방향으로 정의하고, 유체의 흐름 방향과 직교하는 채널의 폭 방향을 y축 방향으로 정의하며, y축 방향의 원점은 채널 중심에 위치하는 것으로 정의한다. 상기 수학식 3에서, y는 중심에서 채널폭 방향으로의 위치를 나타낸다. 상기 수학식 3에서 
한편, 슬릿 형태의 채널에서 점도는 전단응력(shear stress)과 전단속도(shear rate)와의 관계로부터 채널 양단의 압력차 ΔP, 부피유량 Q, 및 채널의 폭 2W, 높이 H 및 길이 L을 이용하여 하기 수학식 4와 같이 결정된다.On the other hand, in the slit-shaped channel, the viscosity is calculated from the relationship between the shear stress and the shear rate by using the pressure difference ΔP across the channel, the volume flow rate Q, the
입자가 분산되지 않은 단순 유체의 경우, 점도는 위치의 함수가 아닌 일정한 값이며, 하전된 채널에서 상기 일정한 값은 수학식 2와 같이 부피유량의 비로 결정될 수도 있다. 본 명세서에서 단순 유체란, 비교적 효과적인 전기이중층을 형성하는 낮은 농도의 전해질 이온을 포함하는 용매를 지칭한다.In the case of a simple fluid in which particles are not dispersed, the viscosity is a constant value rather than a function of position, and the constant value in the charged channel may be determined as a ratio of the volume flow rate as shown in Equation (2). As used herein, a simple fluid refers to a solvent comprising a low concentration of electrolyte ions forming a relatively effective electrical double layer.
채널 벽면에 의하여 영향을 받을 정도의 입자가 분산되어 있지 않은 단순 유체, 예컨대, 물이나 전해질 용액의 경우는 채널 중심부터 채널 벽면까지의 농도분포가 일정하므로, 단순 유체의 평균유속은 하기 수학식 5와 같이 산출할 수 있다.The concentration distribution from the center of the channel to the channel wall is constant in the case of a simple fluid such as water or an electrolytic solution in which particles that are not influenced by the channel walls are dispersed, As shown in FIG.
일 실시예에서는, 채널이 이의 중심으로부터 상하 두 벽면까지가 서로 대칭 형태일 경우, 채널폭 방향인 y축 위치에 대해 중심에서 위쪽 벽면까지 적분을 행할 수 있다. In one embodiment, if the channel is symmetrical to the two upper and lower wall surfaces from the center thereof, integration from the center to the upper wall surface with respect to the y-axis position in the channel width direction can be performed.
전술한 단순 유체의 경우와 달리, 고분자가 분산된 수용액과 같은 분산 유체의 농도분포는 벌크(bulk) 영역과 채널 벽면 부근에 형성되는 농도결핍층 영역으로 나누어지므로, 이 경우의 평균유속은 하기 수학식 6에 의하여 산출할 수 있다.Unlike the case of the simple fluid described above, since the concentration distribution of the dispersion fluid such as the aqueous solution in which the polymer is dispersed is divided into the bulk region and the concentration-deficient layer region formed in the vicinity of the channel wall surface, Can be calculated by Equation (6).
상기 수학식 6을 기초로, 벌크 영역 내에서의 위치에 따른 유체 농도를 Cb(y)라 하고, 두께 d인 농도결핍층 내에서의 위치에 따른 유체 농도를 Cd(y)라 할 경우, 전체 채널 내에서의 유체의 평균유속 <v p>는 다음 수학식 7에 의하여 산출할 수 있다. 여기서, 농도결핍층 두께 d값에 따라 각각의 적분구간이 달라진다. Based on the equation (6), the fluid density according to the position in the bulk region la C b (y), and if it the fluid density C d (y) in accordance with the position in the concentration-deficient layer thickness d , The average flow velocity < v p > of the fluid in the entire channel can be calculated by the following equation (7). Here, the respective integral sections differ depending on the density-depletion layer thickness d value.
상기 수학식 7의 v d(y)는 수학식 3에 의해 하기의 수학식 8로 주어진다. V d (y) in Equation (7) is given by Equation (8) by Equation (3).
그리고, v b(y)는 다음의 수학식 9와 같이 주어지는데 이는 y 지점에 상관없이 일정한 값이다.Then, v b (y) is given by the following equation (9), which is a constant value regardless of the y point.
수학식 8 및 수학식 9의 μ는 분산 유체의 점도로서, 채널 벽면이 하전되어 있으면 유체 내의 전해질 이온의 움직임으로 인해 벽면 주위에는 전기이중층이 형성되는데, 그 두께는 전해질 이온 농도에 따라 결정된다. 전기이중층이 형성되면 전기이중층이 없는 경우보다 흐름이 억제되는 이른바 전기점성(electroviscous) 효과가 발생되는 바, 흐름이 억제되는 정도를 명목적으로 점도 증가로서 설명할 수 있다. 즉, 수학식 8 및 수학식 9의 μ를 벌크 영역에서의 점도(즉, μb)와 농도결핍층에서의 점도(즉, μd)를 포함하는 점도분포식으로 표현하여 전기점성 흐름을 반영할 수 있다. In Equation (8) and Equation (9), μ is the viscosity of the dispersion fluid. If the channel wall surface is charged, an electric double layer is formed around the wall due to the movement of electrolyte ions in the fluid. When an electric double layer is formed, a so-called electroviscous effect in which the flow is suppressed as compared with the case where no electric double layer is formed is generated, and the degree of suppression of the flow can be explained as viscosity increase for purpose. That is, μ in equations (8) and (9) is expressed as a viscosity distribution including the viscosity in the bulk region (ie, μ b ) and the viscosity in the concentration-depleted layer (ie, μ d ) can do.
점도분포식으로 단순하게는 계단함수형을 고려할 수 있고, 또는 보다 실제적인 상황을 반영하기 위해서 하기 수학식 10과 같이 선형함수형을 고려할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. A step function function can be considered simply as a viscosity distribution formula, or a linear function function can be considered as a formula (10) to reflect a more practical situation, but the present invention is not limited thereto.
상기 수학식 10에서, μw는 채널 벽면에서의 점도이다. 이상적으로 벽면에서 완전한 농도 결핍이 되는 것을 가정하면, μw는 입자가 분산되지 않은 단순 유체, 예컨대, 2차 증류수의 점도와 동일할 수 있다. In Equation (10),? W is the viscosity at the channel wall surface. Ideally, assuming a complete concentration deficit at the wall, μ w may be equal to the viscosity of a simple fluid, such as secondary distilled water, in which the particles are not dispersed.
한편, 수학식 7에서 유체의 Cb(y) 및 Cd(y)는 농도결핍층이 형성된 유체의 농도분포식으로 보고된 다양한 관계식을 적용할 수 있다. 단순하게는 계단함수형을 고려할 수 있고, 또는 보다 실제적인 상황을 반영하기 위해서 하기 수학식 11과 같은 선형함수형 농도분포를 채용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. On the other hand, C b (y) and C d (y) of the fluid in the equation (7) can be applied to a variety of relationships reported as the concentration distribution of the fluid expression levels depleted zone is formed. A step function type can be considered simply, or a linear function type concentration distribution as shown in Equation (11) can be employed to reflect a more practical situation, but the present invention is not limited thereto.
상기 수학식 11에서 Cb는 벌크 영역에서의 유체 농도로서, 일 실시예에서는 정규화(normalize)된 농도 값으로서 Cb = 1로 한 농도분포식을 사용할 수 있다.In Equation (11), C b is the concentration of the fluid in the bulk region, and in one embodiment, a concentration distribution formula with C b = 1 as the normalized concentration value can be used.
도 5는 농도분포와 점도분포를 선형함수형으로 적용할 경우 미세채널 내부의 중심으로부터 하전된 채널 벽면까지의 선형 점도분포 및 선형 농도분포를 나타내는 그래프로서, 실선(600)은 채널 내 위치에 따른 농도 C(y)를 고분자가 분산된 수용액의 벌크 영역에서의 농도 Cb로 나눈 값을 나타내며, 점선(610)은 채널 내 위치에 따른 점도 μch(y)를 나타낸다. μw는 단순 유체인 2차 증류수의 점도이고, μb는 고분자가 일정 농도로 분산된 유체의 벌크 영역에서의 점도이다. FIG. 5 is a graph showing a linear viscosity distribution and a linear concentration distribution from the center of the microchannel to the charged channel wall surface when the concentration distribution and the viscosity distribution are applied as a linear function type. The solid line (600) C (y) divided by the concentration C b in the bulk region of the polymer-dispersed aqueous solution, and the dotted
한편, 수학식 5 및 수학식 7에서 채널의 미소 단면적(infinitesimal area)에 대한 수치적분은 통상 잘 알려져 있는 사다리꼴 공식(trapezoidal rule)에 의한다. 이상의 설명은 슬릿 채널에 대해 국한한 것이지만, 다른 형태의 채널인 사각 채널과 실린더형 채널에도 적당한 수학식으로 설명할 수 있다.On the other hand, the numerical integration of the channel infinitesimal area in Equations (5) and (7) is based on a well-known trapezoidal rule. Although the above description is limited to the slit channel, it can be explained by a mathematical expression suitable for other types of channels, i.e., a square channel and a cylindrical channel.
도 6은, 이상에서 설명한 원리를 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른, 유체 유동에서 형성되는 농도결핍층 해석 방법의 순서도이다.FIG. 6 is a flowchart of a method for analyzing a concentration-deficient layer formed in a fluid flow, according to an embodiment of the present invention using the principle described above.
도 6을 참조하면, 도 4를 참조하여 전술한 것과 같은 미세채널 내에 입자를 포함하지 않는 단순 유체를 주입하고 단순 유체의 부피유량(volumetric flow rate)을 측정할 수 있다(S1). 예컨대, 채널 내로 유체를 주입하고 채널 입구에 일정 압력을 가하면 채널 양단 사이에 압력차가 형성되어 유체가 흐르므로, 채널의 출구에서 시간당 유출되는 유체의 부피인 부피유량(volumetric flow rate)을 측정할 수 있다.Referring to FIG. 6, a simple fluid not containing particles may be injected into the microchannel as described above with reference to FIG. 4, and the volumetric flow rate of the simple fluid may be measured (S1). For example, when a fluid is injected into a channel and a constant pressure is applied to a channel inlet, a pressure difference is formed between both ends of the channel, so that the volumetric flow rate, which is the volume of the fluid flowing out of the channel at the outlet of the channel, have.
동일한 방식으로, 미세채널 내에 입자가 분산된 분산 유체를 주입하고 분산 유체의 부피유량을 측정할 수 있다(S2). 이때 분산 유체는 고분자가 분산된 수용액과 같이 채널 벽면에서 농도결핍층이 형성되는 유동 특성을 가지는 것이다.In the same manner, a dispersion fluid in which particles are dispersed in the microchannel can be injected and the volume flow rate of the dispersion fluid can be measured (S2). In this case, the dispersion fluid has a flow characteristic such that a concentration-depleted layer is formed on the channel wall surface as in an aqueous solution in which a polymer is dispersed.
다음으로, 측정된 단순 유체의 부피유량과 분산 유체의 부피유량을 이용하여, 분산 유체의 점도분포식을 수립할 수 있다(S3). 점도분포식은 수학식 10을 참조하여 전술한 것과 같이 벌크 영역에서의 점도(즉, μb)와 채널 벽면에서의 점도(즉, μw)를 이용한 함수로서 농도결핍층에서의 점도 분포를 정의한 것이다. 예를 들어, 점도분포식은 농도결핍층에서의 점도 분포를 채널 벽면에 인접할수록 점도가 감소하는 계단함수 또는 선형함수로 정의한 것일 수 있다. 이때, 채널 벽면에서의 점도(즉, μw)는 단계 S1에서 측정한 단순 유체의 부피유량을 이용하여 수학식 4의 관계식에 의해 결정될 수 있다. 또한, 벌크 영역에서의 점도(즉, μb)는 단계 S2에서 측정한 분산 유체의 부피유량을 이용하여 수학식 4의 관계식에 의하여 결정될 수 있다.Next, a viscosity distribution equation of the dispersion fluid can be established using the measured volume flow rate of the simple fluid and the volume flow rate of the dispersion fluid (S3). The viscosity distribution equation defines the viscosity distribution in the concentration-deficient layer as a function using the viscosity (i.e., μ b ) in the bulk region and the viscosity (ie, μ w ) in the channel wall surface as described above with reference to Equation . For example, the viscosity distribution equation may be defined as a step function or a linear function whose viscosity decreases in the concentration-depleted layer toward the channel wall surface. At this time, the viscosity (i.e., μ w ) at the channel wall surface can be determined by the relational expression (4) using the volume flow rate of the simple fluid measured at step S1. Further, the viscosity in the bulk region (i.e., mu b ) can be determined by the relational expression (4) using the volume flow rate of the dispersed fluid measured in step S2.
다음으로, 미세채널 내를 흐르는 분산 유체의 평균유속을 실험적으로 측정할 수 있다(S4). 평균유속은 상기 단계(S2)에서 측정된 분산 유체의 부피유량으로부터 얻어질 수 있는데, 측정된 부피유량을 채널의 단면적으로 나누면 분산 유체의 평균유속이 된다. Next, the average flow velocity of the dispersion fluid flowing in the microchannel can be experimentally measured (S4). The average flow rate can be obtained from the volumetric flow rate of the dispersed fluid measured in step (S2), and dividing the measured volumetric flow rate by the cross-sectional area of the channel results in an average flow rate of the dispersed fluid.
한편, 위와 같이 실험적으로 측정된 분산 유체의 평균유속(또는, "<v p>실험"으로도 표기함)과 별개로, 채널 양단의 압력차와 채널의 단면에 따른 속도분포식 및 농도분포식을 적용하여 평균유속을 계산한다. 채널의 폭 2W과 길이 L, 및 채널 양단의 압력차 ΔP를 알 수 있으면 수학식 3, 수학식 8 및 수학식 9를 이용하여 채널 폭 방향의 위치에 따른 속도분포를 산출할 수 있다. 이때, 속도분포식은 점도의 함수로 표현되는데, 점도는 전술한 단계 S3에서 수립한 수학식 10의 점도분포식에 의하여 산출된다. On the other hand, apart from the experimentally measured average flow rate of the dispersed fluid (or the "< v p > experiment "), the pressure difference across the channel and the velocity distribution and concentration distribution along the channel cross- To calculate the average flow rate. The velocity distribution according to the position in the channel width direction can be calculated using Equation (3), Equation (8), and Equation (9) if the
수학식 7 및 수학식 9에 기재되어 있는 것과 같이, 농도결핍층이 형성되는 경우 유체의 평균유속은 농도결핍층의 두께 d에 의하여 영향을 받는다. 실시예들에서는, 농도결핍층의 두께를 초기에 일정한 값으로 상정하여 평균유속을 산출하고, 실험적으로 측정된 평균유속과의 차이가 오차 허용치(tolerance)보다 작을 때까지 농도결핍층 두께를 증가시켜 가면서 반복 계산을 수행함으로써 실험 값과의 비교를 통해 농도결핍층을 해석한다. As described in Equations (7) and (9), when the concentration-deficient layer is formed, the average flow velocity of the fluid is affected by the thickness d of the concentration-deficient layer. In the embodiments, the thickness of the concentration-deficient layer is initially assumed to be a constant value, the average flow rate is calculated, and the concentration-deficient layer thickness is increased until the difference from the experimentally measured average flow rate is smaller than the tolerance And the concentration-deficient layer is analyzed through comparison with experimental values.
구체적으로는, 먼저 농도결핍층 두께의 초기값을 설정한다(S5). 예를 들어, 초기값으로서 d=0으로 설정할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다음으로, 설정된 초기값을 적용하여 전술한 수학식들에 의하여 채널 내에서 분산 유체의 평균유속 <v p>을 산출한다(S6). 평균유속 <v p>의 산출에 필요한 채널의 형상은 미리 알려져 있으며, 채널 양단에 인가된 압력차 ΔP와 부피유량 Q은 압력계 및 유량계를 이용하여 측정할 수 있다. Specifically, the initial value of the concentration-depleted layer thickness is first set (S5). For example, d = 0 may be set as an initial value, but the present invention is not limited thereto. Next, the average flow rate < v p > of the dispersed fluid in the channel is calculated by the above-described equations by applying the set initial value (S6). The shape of the channel required to calculate the average flow velocity < v p > is known in advance, and the pressure difference AP and the volume flow rate Q applied to both ends of the channel can be measured using a pressure gauge and a flow meter.
다음으로, 전술한 단계 S3에서 실험적으로 측정된 평균유속(또는, "<v p>실험"으로도 표기함)과 수치적분에 의하여 계산된 평균유속(또는, "<v p>계산"으로도 표기함)을 비교하여, 양자의 차이를 <v p>계산 으로 나눈 값이 미리 설정된 오차 허용치 미만인지를 확인한다(S7). 예컨대, 오차 허용치는 1/1000으로 설정될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Next, Experimental the average flow rate measurement in the above-described step S3 (or, "<v p> Experiment" as also indicated hereinafter) and the average flow rate calculated by the numerical integration (or, "<v p> calculation" in Fig. (S7). If the value obtained by dividing the difference by the < vp & gt ; calculation is smaller than a preset error tolerance value (S7). For example, the error tolerance may be set to 1/1000, but is not limited thereto.
<v p>실험 과 <v p>계산 의 차이를 <v p>계산 으로 나눈 값이 오차 허용치 이상일 경우에는, 농도결핍층의 두께로 상정된 값(d)을 초기값에 비해 일정 크기만큼 증가시키고(S8), 증가된 농도결핍층 두께를 적용하여 다시 적분을 수행함으로써 <v p>계산 을 산출한다(S6, S7). 예컨대, 매 적분 시마다 두께 증가치(Δd)는 약 1 내지 3 nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이상의 과정 S6 내지 S8은 복수 회 반복 수행될 수 있다.When the value obtained by dividing the difference between the < v p > experiment and the < v p > calculation by the < v p > calculation is equal to or greater than the error tolerance, the value (d) assumed as the density- and (S8), by carrying out the re-integration by applying an increased concentration deficient layer thickness <p v> and calculates the calculation (S6, S7). For example, the thickness increase value? D may be about 1 to 3 nm for each integration, but is not limited thereto. The above steps S6 to S8 may be repeated a plurality of times.
농도결핍층의 상정된 두께를 변화시키면서 계산을 다시 수행한 결과, <v p>실험 과 <v p>계산 의 차이를 <v p>계산 으로 나눈 값이 오차 허용치 미만일 경우, 반복 계산을 중단하고 <v p>실험 과 <v p>계산 의 차이가 오차 허용치 미만이 되었을 때의 농도결핍층 두께로 상정된 값을 최종 농도결핍층 두께로 결정할 수 있다(S9). 즉, 종래와 같이 농도결핍층을 직접적으로 관측하지 않고도, 유체의 흐름에 대한 물리적 원리를 이용한 유체의 평균유속의 계산과 측정을 결합하면 정확한 농도결핍층 두께를 효과적으로 산출할 수 있다.As a result of performing the calculations again while varying the assumed thickness of the concentration-depleted layer, if the difference between the < v p > experiment and the < v p > calculation divided by the < v p > calculation is less than the error tolerance, The difference between the < v p > test and the < v p > calculation is less than the error tolerance, and the value assumed as the concentration-depleted layer thickness can be determined as the final concentration-depleted layer thickness (S 9). That is, by combining the calculation and measurement of the average flow rate of the fluid using the physical principle of the fluid flow without directly observing the concentration-deficient layer as in the conventional method, it is possible to calculate the accurate concentration-depleted layer thickness effectively.
일 실시예에서는, 농도결핍층이 형성되지 않는 단순 유체의 평균유속 <v f>를 전술한 수학식 5에 의하여 산출하고(S10), 최종적으로 결정된 농도결핍층 두께 d에 상응하는 유체의 평균유속 <v p>와 단순 유체의 평균유속 <v f>의 비(ratio)를 산출한다(S11). 이를 통하여, 고분자 수용액의 농도에 따른 크로마토그래피(chromatography) 분리나 분석 성능의 변화를 파악하여 최적의 채널 설계에 대한 정보를 얻을 수 있다. 특히, 고분자의 분산농도가 높을수록 평균유속과 부피유량이 감소되는 효과를 산출할 수 있어서, 미세채널에서 계면동전기에 의한 미세 에너지 수확에서 에너지 변환효율의 증가 정도를 예측할 수 있다. 에너지 변환효율은 압력차와 부피유량의 곱인 입력(input power)에 대한 발생된 전류와 전압의 곱인 출력(output power)의 비이다. 즉, 동일한 압력차에서 단순 유체 대신에 고분자가 분산된 유체를 도입하면 부피유량이 낮아져서 입력이 감소되므로, 동일한 출력에 대해 변환효율은 향상되는 것이다. In one embodiment, the average flow velocity < v f > of the simple fluid in which the concentration-depleted layer is not formed is calculated according to Equation 5 described above (S10), and the average flow velocity of the fluid corresponding to the finally determined concentration- The ratio of < v p > to the average flow velocity < v f > of the simple fluid is calculated (S11). Through this, information on optimal channel design can be obtained by analyzing chromatographic separation or analysis performance depending on the concentration of the polymer aqueous solution. In particular, the higher the dispersion concentration of the polymer, the smaller the average flow rate and the smaller the volume flow rate, so that the degree of energy conversion efficiency can be predicted in the microchannel harvesting fine energy by interfacial electrification. The energy conversion efficiency is the ratio of the output power, which is the product of the current to the voltage, to the input power, which is the product of the pressure difference and the volume flow rate. That is, introducing a polymer-dispersed fluid instead of simple fluid at the same pressure difference lowers the volume flow rate and reduces the input, so the conversion efficiency is improved for the same output.
도 7은, 일 실시예에 따른, 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 장치의 구성도이다.7 is a configuration diagram of a concentration-deficient layer analyzing apparatus formed in an electric viscous flow of fluid according to an embodiment.
도 7을 참조하면, 농도결핍층 해석 장치는 하나 또는 복수 개의 미세채널(100), 미세채널(100)로 유체가 주입되기 위한 유입구(110) 및 미세채널(100)로부터 유체가 유출되기 위한 유출구(120)를 포함하는 미세유체 칩(10)과, 유체 흐름을 생성하기 위한 펌프(20)와, 펌프(20)에 의하여 가해지는 압력을 측정하기 위한 압력계(30)와, 압력계(30)의 측정값을 적어도 부분적으로 이용하여 농도결핍층을 해석하도록 구성된 산출부(40)를 포함한다. 또한, 유입구(110) 및 유출구(120)에는 각각 유입 튜빙(tubing)(130) 및 유출 튜빙(140)이 연결될 수 있다. Referring to FIG. 7, the concentration-deficient layer analyzing apparatus includes one or a plurality of
일 실시예에서, 미세유체칩(10)은 채널(100), 유입구(110) 및 유출구(120)가 형성된 제1 기판(또는, 채널 기판) 및 제 1 기판을 덮는 유리 재질의 제2 기판(또는, 하부 기판)을 포함한다. MEMS 공정을 이용하여 10개의 직선 채널(100)을 PDMS 재질로 된 채널 기판에 형성하고, 둥근 칼 등으로 관통하여 유입구(110)와 유출구(120)를 형성할 수 있다. 채널(100)은 그 폭이 높이에 비해 작은 슬릿 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 채널(100)의 단면의 폭은 단면의 높이의 1/3 이하일 수 있다. 채널(100)의 폭과 높이는 수십 내지 150 마이크로미터가 바람직하며, 예컨대 채널(100)의 폭은 30 마이크로미터일 수 있다. 채널 기판의 두께는 1.5 내지 2.5 밀리미터(mm)가 바람직하다. 또한, 하부 기판의 두께는 1.0 내지 1.5 밀리미터(mm)가 바람직하다. 하부 기판은 채널 기판에서 채널이 형성된 면과 접합되며, 예를 들어, 산소 플라즈마 접합법으로 접합될 수 있다.In one embodiment, the
유입구(110)와 유출구(120)에는 유입 튜빙(130) 및 유출 튜빙(140)으로서 외경 1/16 인치의 튜빙을 설치할 수 있다. 또한, 유입 튜빙(130)에 펌프(20)로서 실린지(syringe) 펌프를 연결하여 유체를 주입하는 한편, 유입 튜빙(130)에 정밀 압력계(30)를 설치하여 채널에 인가되는 압력을 측정할 수 있다. 유출 튜빙(140)은 대기 중에 노출되어 있으므로, 펌프(20)에 의하여 유입 튜빙(130)에 가해지는 압력이 채널 양단의 압력차 ΔP에 해당한다.The
일 실시예에서, 유출구(120)에 연결된 유출 튜빙(140)에는 일정한 간격으로 눈금(145)을 표시하여, 주어진 시간 경과에 따라 유출된 용액의 부피(즉, 유출된 용액의 이동 거리 × 유출튜빙의 내부 단면적) 로부터 곧바로 부피유량(즉, 시간당 유출된 용액의 부피)을 측정할 수 있도록 한다. 따라서, 종래에 부피유량 측정에 사용되었던 저울이 불필요함은 물론이고, 저울로 측정된 유출된 유체의 질량을 시료 용액의 밀도를 고려하여 이를 부피유량으로 환산하는 과정이 불필요하다.In one embodiment, the
일 실시예에서, 농도결핍층 해석 장치는 유출 튜빙(140)으로 유출된 유체의 부피유량을 감지하기 위한 유량계(50)를 더 포함한다. 예를 들어, 유량계(50)는 유출 튜빙(140)의 눈금(145)을 통과하는 유체 흐름을 광학적인 방법으로 감지하여 부피유량을 측정하는 장치일 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 유량계(50)는 전자적인 방식이나 종래의 질량을 이용한 방식 등 다양한 방법으로 부피유량을 측정할 수도 있다. In one embodiment, the concentration-deficient bed analysis apparatus further includes a
산출부(40)는 도 6을 참조하여 전술한 농도결핍층 해석 방법을 수행하도록 구성된다. 구체적으로, 산출부(40)는 압력계(30) 및 유량계(50)에 의한 측정값과, 미리 알려진 채널(100)의 형상 수치 정보를 이용하여, 채널(100) 내를 흐르는 단순 유체와 분산 유체의 점도인 μw와 μb를 각각 결정한다. 이는 단순 유체와 분산 유체의 부피유량을 각각 측정함으로써 수행될 수 있으며, 또한 이들의 부피유량으로부터 단순 유체와 분산 유체 각각의 평균유속을 측정할 수 있다.The
또한, 산출부(40)는 단순 유체와 분산 유체의 점도를 이용하여 전술한 수학식 10과 같이 분산 유체의 점도분포식을 정의하고, 점도분포식이 적용된 속도분포식과 농도분포식을 이용하여 수치적분을 행함으로써 채널(100) 내의 분산 유체의 평균유속의 계산값을 산출한다. 산출부(40)는 부피유량으로부터 측정된 분산 유체의 평균유속과 전술한 수치적분에 의하여 산출된 분산 유체의 평균유속을 비교하며, 농도결핍층의 두께로 상정된 값을 변화시켜가면서 이러한 비교를 수행하여 최종 농도결핍층 두께를 결정할 수 있다.Also, the calculating
실험예Experimental Example
본 발명자들은, 채널 폭(2W), 높이(H) 및 길이(L)가 각각 30 μm, 120 μm, 및 0.5 cm 인 직선 채널이 평행하게 병렬로 10개가 형성되며 음전하로 하전된 PDMS 재질의 채널 기판과 유리 재질의 하부 기판을 포함하는 미세유체 칩(10)을 설계하여 제작하였다. 여기서, 10개의 미세채널을 형성한 이유는 1개 채널에서의 부피유량이 매우 작은 값이어서 측정오차를 가급적 줄이고 측정시간을 단축시키기 위함이다. 또한, 미세유체 칩(10)에는 유입 튜빙(130) 및 일정한 간격으로 눈금을 표시한 유출 튜빙(140)을 각각 설치하였으며, 유입 튜빙(130)에는 T자 관을 이용하여 정밀 압력계(30)를 연결하였다. 실린지 펌프(20)에 의해 일정 압력차를 가하여 미세채널에 용액을 흐르게 하였으며, 본 실시예에서 실린지 펌프(20)에 의한 압력은 1 bar로 유지하였다. The present inventors have found that a linear channel having a channel width (2W), a height (H) and a length (L) of 30 μm, 120 μm and 0.5 cm are formed in parallel in parallel, A microfluidic chip (10) including a substrate and a glass substrate is designed and manufactured. The reason why 10 microchannels are formed is that the volume flow rate in one channel is very small so as to reduce the measurement error as much as possible and shorten the measurement time. The
고분자 수용액으로서, 분자량이 1.13×106 달톤(Dalton)이며 반유연한(semi-flexible) 사슬 구조를 갖는 생체 고분자인 잔탄(xanthan)을 2차 증류수에 4000 ppm(즉, 0.4 wt%)농도로 분산시키고, 이를 희석시켜 각각 2000 ppm, 1000 ppm, 및 500 ppm 농도의 분산액을 조제하였다. 여기서 2차 증류수의 이온 농도는 전기전도도 측정에 의해 10-7 M이었다.Xanthan, a biopolymer having a molecular weight of 1.13 × 10 6 Dalton and a semi-flexible chain structure, was dispersed in a second distilled water at a concentration of 4000 ppm (ie, 0.4 wt%) as a polymer aqueous solution And diluted to prepare dispersions at concentrations of 2000 ppm, 1000 ppm, and 500 ppm, respectively. Here, the ion concentration of the secondary distilled water was 10 -7 M by electrical conductivity measurement.
하전된 채널(100)에서 단순 유체인 2차 증류수와 분산 유체인 잔탄 수용액의 점도인 μw 와 μb 는 각각의 부피유량 측정으로부터 관계식에 의해 결정하였다. 또한, 유출 튜빙(140)을 통한 유출액 부피를 측정하고, 이를 10개 채널의 단면적을 합산한 값으로 나누어 잔탄 분산 농도에 따른 수용액의 평균유속을 얻었다. 또한, 도 7을 참조하여 전술한 것과 같이, 잔탄 분산 수용액의 계산된 평균유속과 실험으로 얻어진 평균유속과의 차이와, 계산된 평균유속간의 비가 오차 허용치 보다 작을 때까지 농도결핍층 두께 d로 상정된 값을 증가시켜 가면서 반복 계산을 수행하였다. 이에 의하여 얻어진 결과를 도 8 및 도 9에 나타내었다. The viscosities μ w and μ b of the second distilled water, the simple fluid, and the aqueous solution of xanthan gum, the dispersing fluid, in the charged channel (100) were determined from the respective volume flow measurements. The outlet volume through the
도 8은, 고분자인 잔탄의 분산 농도에 따라 산출된 미세채널 벽면 부근에 형성된 농도결핍층 두께를 나타낸 그래프이며, 도 9는 고분자인 잔탄의 분산농도에 따라 산출된 분산 수용액의 평균유속과 단순 수용액인 2차 증류수의 평균유속간의 비를 나타낸 그래프이다. 도 8과 도 9에서의 에러 바(error bar)는 3회의 실험으로 측정한 평균유속에서 비롯된 표준편차를 나타낸다. 도 8에 도시되는 바와 같이, 잔탄 분산 농도가 증가할수록 농도결핍층 두께 d값은 감소하는 변화를 나타내었다. 한편, 도 9에 도시되는 바와 같이, 잔탄 분산 수용액의 평균유속인 <v p>은 잔탄 분산 농도가 증가할수록 잔탄이 분산되어 있지 않은 단순 유체인 2차 증류수의 평균유속인 <v f> 에 비하여 급격하게 감소하였다.FIG. 8 is a graph showing the thickness of the concentration-deficient layer formed near the wall surface of the microchannel calculated according to the dispersion concentration of the residual carbon monoxide. FIG. 9 is a graph showing the relationship between the average flow rate of the aqueous dispersion, And the average flow rate of the second distilled water. The error bars in FIGS. 8 and 9 represent standard deviations resulting from the average flow rate measured in three experiments. As shown in FIG. 8, the concentration-depletion layer thickness d value decreased with increasing residual coal tar concentration. On the other hand, as shown in FIG. 9, the average flow velocity < v p > of the aqueous solution of residual carbon monoxide is smaller than the average flow velocity < v f > of the secondary distilled water which is a simple fluid in which residual carbon is not dispersed as the residual carbon concentration increases Respectively.
이상에서 설명한 실시예들에 따른 농도결핍층 해석 장치 및 방법은, 점도의 함수로 표현되는 속도분포와 농도분포의 평균값에 관한 모멘트 원리에 의한 결합을 통하여 관계식을 기반으로 산출한 평균유속과 실험으로 측정된 평균유속의 비교와 반복계산을 통하여 농도결핍층 두께를 산출하고 농도결핍층을 해석함으로써, 고분자 수용액 등의 유동 특성을 용이하게 파악하고 분석 및 분리 성능에 중요한 정보를 제공할 수 있다. 상기 실시예들에 의하면 미세채널에서 고분자 수용액의 흐름을 가시화하기 위한 고가의 광학 장비와 복잡한 이미지 분석 과정이 없이도 신속하고 용이하게 다양한 조건에 대한 농도결핍층 두께를 산출할 수 있어, 신속성, 간편성 및 경제성 면에서 유리하다. The concentration-deficient layer analyzing apparatus and method according to the embodiments described above can be applied to the average flow rate calculated based on the relational expression through the combination of the velocity distribution represented by the viscosity function and the average value of the concentration distribution by the moment principle By comparing the measured average flow velocities and repeating the calculation of the concentration-deficient layer thickness and analyzing the concentration-deficient layer, it is possible to easily grasp the flow characteristics of the aqueous polymer solution and provide important information for analysis and separation performance. According to the above embodiments, it is possible to quickly and easily calculate the density-depleted layer thickness for various conditions without expensive optical equipment and a complicated image analysis process for visualizing the flow of the polymer aqueous solution in the microchannel, It is advantageous in terms of economy.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.While the invention has been shown and described with reference to certain embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. However, it should be understood that such modifications are within the technical scope of the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
Claims (15)
상기 채널에 주입된, 용매 내에 입자가 분산되어 있는 분산 유체의 부피유량 및 평균유속을 측정하는 단계;
상기 단순 유체의 부피유량 및 상기 분산 유체의 부피유량을 이용하여 상기 채널 내의 상기 분산 유체의 점도분포식을 수립하는 단계;
상기 채널 양단의 압력차, 상기 분산 유체의 부피유량, 상기 점도분포식 및 미리 설정된 농도분포식을 이용하여, 상기 채널 내를 흐르는 상기 분산 유체의 평균유속을 산출하는 단계; 및
상기 측정하는 단계에서 측정된 평균유속과 상기 산출하는 단계에서 산출된 평균유속을 비교한 것에 기초하여, 상기 분산 유체의 흐름에 의해 상기 채널 내에 형성되는 농도결핍층 두께를 결정하는 단계를 포함하는, 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 방법.
Measuring a volumetric flow rate of the simple fluid that is injected into the channel, the particle not being dispersed;
Measuring a volumetric flow rate and an average flow rate of a dispersion fluid having particles dispersed in a solvent injected into the channel;
Establishing a viscosity distribution equation of the dispersion fluid in the channel using the volume flow rate of the simple fluid and the volume flow rate of the dispersion fluid;
Calculating an average flow velocity of the dispersed fluid flowing in the channel using a pressure difference across the channel, a volume flow rate of the dispersed fluid, the viscosity distribution equation and a predetermined concentration distribution equation; And
Determining a concentration-depleted layer thickness formed in the channel by the flow of the dispersed fluid based on comparing the average flow rate measured in the measuring step with the average flow rate calculated in the calculating step. Method for analyzing concentration - deficient layer formed in electric viscous flow of fluid.
상기 점도분포식을 수립하는 단계는,
상기 단순 유체의 부피유량을 이용하여 상기 단순 유체의 점도를 결정하는 단계; 및
상기 채널 양단의 압력차 및 상기 분산 유체의 부피유량을 이용하여 상기 분산 유체의 점도를 결정하는 단계를 포함하는, 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of establishing the viscosity distribution equation comprises:
Determining a viscosity of the simple fluid using the volume flow rate of the simple fluid; And
Determining a viscosity of the dispersed fluid using a pressure differential across the channel and a volumetric flow rate of the dispersed fluid.
상기 점도분포식을 수립하는 단계는, 상기 분산 유체의 상기 농도결핍층에서의 점도 분포를 상기 단순 유체의 점도 및 상기 분산 유체의 점도를 이용한 함수로서 정의하는 단계를 더 포함하는, 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 방법.
3. The method of claim 2,
Wherein establishing the viscosity distribution equation further comprises defining a viscosity distribution in the concentration-deficient layer of the dispersed fluid as a function of the viscosity of the simple fluid and the viscosity of the dispersed fluid, A method for analyzing a concentration-deficient layer formed in a flow.
상기 함수는 상기 채널의 벽면에 인접할수록 점도가 감소하는 계단함수 또는 선형함수인, 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 방법.
The method of claim 3,
Wherein said function is a step function or a linear function whose viscosity decreases as it approaches the wall surface of said channel.
상기 분산 유체의 평균유속을 산출하는 단계는,
상기 채널 양단의 압력차, 상기 채널의 길이, 상기 채널의 폭 및 상기 점도분포식을 이용하여 상기 채널 내의 상기 유체의 속도분포를 산출하는 단계;
상기 유체의 속도분포와 미리 설정된 농도분포를 곱한 값을 상기 채널의 단면적에 대하여 적분하는 단계; 및
상기 적분하는 단계에 의해 얻어진 값을, 상기 농도분포를 상기 채널의 단면적에 대하여 적분한 값으로 나누어 상기 분산 유체의 평균유속을 산출하는 단계를 포함하는, 유체 유동에서 형성되는 농도결핍층 해석 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of calculating the average flow velocity of the dispersion fluid comprises:
Calculating a velocity distribution of the fluid in the channel using the pressure difference across the channel, the length of the channel, the width of the channel, and the viscosity distribution equation;
Integrating a value obtained by multiplying a velocity distribution of the fluid by a preset concentration distribution with respect to a cross-sectional area of the channel; And
Dividing the value obtained by said integrating step by the value obtained by integrating said concentration distribution with respect to the cross sectional area of said channel to calculate an average flow velocity of said dispersed fluid.
상기 채널 내의 상기 단순 유체의 평균유속을 산출하는 단계; 및
상기 산출하는 단계에서 산출된 상기 분산 유체의 평균유속과 상기 단순 유체의 평균유속의 비를 산출하는 단계를 더 포함하는, 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 방법.
The method according to claim 1,
Calculating an average flow rate of the simple fluid in the channel; And
Further comprising the step of calculating a ratio of an average flow velocity of the dispersion fluid to an average flow velocity of the simple fluid calculated in the calculating step.
상기 유입구로부터 상기 유출구로의 상기 유체의 흐름을 생성하도록 일정 압력으로 작동하는 펌프;
상기 채널 양단의 압력차를 측정하도록 구성된 압력계; 및
상기 압력계의 측정값을 이용하여 상기 채널 내에 형성된 농도결핍층 두께를 산출하도록 구성된 산출부를 포함하되,
상기 산출부는,
상기 채널에 주입된 입자가 분산되지 않은 단순 유체의 부피유량을 측정하고, 상기 채널에 주입된 용매 내에 입자가 분산되어 있는 분산 유체의 부피유량 및 평균유속을 측정하며,
상기 단순 유체의 부피유량 및 상기 분산 유체의 부피유량을 이용하여 상기 채널 내의 상기 분산 유체의 점도분포식을 수립하고,
상기 채널 양단의 압력차, 상기 분산 유체의 부피유량, 상기 점도분포식 및 미리 설정된 농도분포식을 이용하여, 상기 채널 내를 흐르는 상기 분산 유체의 평균유속을 산출하고,
상기 측정된 평균유속과 상기 산출된 평균유속을 비교한 것에 기초하여, 상기 분산 유체의 흐름에 의해 상기 채널 내에 형성되는 농도결핍층 두께를 결정하도록 더 구성된, 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 장치.
A microfluidic chip having a channel for flowing fluid, an inlet for injecting the fluid into the channel, and an outlet for discharging the fluid from the channel;
A pump operating at a constant pressure to produce a flow of the fluid from the inlet to the outlet;
A pressure gauge configured to measure a pressure difference across the channel; And
And a calculation unit configured to calculate a density-depleted layer thickness formed in the channel using the measurement value of the pressure gauge,
The calculating unit calculates,
Measuring a volume flow rate of the simple fluid in which the particles injected into the channel are not dispersed, measuring a volume flow rate and an average flow velocity of the dispersion fluid in which the particles are dispersed in the solvent injected into the channel,
Establishing a viscosity distribution equation of the dispersion fluid in the channel using the volume flow rate of the simple fluid and the volume flow rate of the dispersion fluid,
Calculating an average flow velocity of the dispersed fluid flowing in the channel using the pressure difference across the channel, the volume flow rate of the dispersed fluid, the viscosity distribution equation, and the preset concentration distribution equation,
Further comprising determining a concentration-depleted layer thickness that is formed in the channel by the flow of the dispersed fluid based on a comparison of the measured average flow rate and the calculated average flow rate. Layer analyzer.
상기 채널은 슬릿형, 삼각형, 사각형, 또는 원 형상의 단면을 갖는, 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the channel has a slit-shaped, triangular, rectangular, or circular cross-section.
상기 채널의 단면의 폭은 상기 채널의 단면의 높이의 1/3 이하인, 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 장치.
9. The method according to claim 7 or 8,
Wherein a width of the cross-section of the channel is equal to or less than 1/3 of a height of a cross-section of the channel.
상기 미세유체칩은,
상기 채널, 상기 유입구 및 상기 유출구가 형성된 제1 기판; 및
상기 제1 기판을 덮도록 상기 제1 기판에 접합되는 제2 기판을 포함하는, 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 장치.
8. The method of claim 7,
The microfluidic chip may include:
A first substrate on which the channel, the inlet, and the outlet are formed; And
And a second substrate bonded to the first substrate so as to cover the first substrate, wherein the concentration substrate is formed in an electric viscous flow of the fluid.
상기 유출구에 연결되며, 일정한 간격으로 표시된 눈금을 포함하는 유출 튜빙을 더 포함하는, 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 장치.
8. The method of claim 7,
Further comprising flow tubing connected to said outlet and comprising a scale indicated at regular intervals.
상기 유출 튜빙의 눈금을 이용하여 상기 채널 내를 흐르는 상기 단순 유체 또는 상기 분산 유체의 부피유량을 측정하도록 구성된 유량계를 더 포함하는, 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 장치.
12. The method of claim 11,
Further comprising a flow meter configured to measure a volumetric flow rate of the simple fluid or the dispersant fluid flowing through the channel using the scale of the outflow tubing.
상기 산출부는, 상기 단순 유체의 부피유량을 이용하여 상기 단순 유체의 점도를 결정하며, 상기 채널 양단의 압력차 및 상기 분산 유체의 부피유량을 이용하여 상기 분산 유체의 점도를 결정하고, 상기 분산 유체의 상기 농도결핍층에서의 점도 분포를 상기 단순 유체의 점도 및 상기 분산 유체의 점도를 이용한 함수로서 정의하도록 더 구성된, 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the calculating unit determines the viscosity of the simple fluid using the volume flow rate of the simple fluid and determines the viscosity of the dispersion fluid using the pressure difference across the channel and the volume flow rate of the dispersion fluid, Wherein the viscosity distribution in the concentration-deficient layer is defined as a function of the viscosity of the simple fluid and the viscosity of the dispersion fluid.
상기 함수는 상기 채널의 벽면에 인접할수록 점도가 감소하는 계단함수 또는 선형함수인, 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 장치.
14. The method of claim 13,
Wherein the function is formed in an electrical viscous flow of the fluid, which is a step function or a linear function whose viscosity decreases as it is adjacent to the wall surface of the channel.
상기 산출부는, 상기 단순 유체의 평균유속을 산출하며, 산출된 상기 분산 유체의 평균유속과 상기 단순 유체의 평균유속의 비를 산출하도록 더 구성된, 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 장치.8. The method of claim 7,
Wherein the calculating unit is further configured to calculate an average flow rate of the simple fluid and to calculate a ratio of the average flow rate of the dispersion fluid to the average flow rate of the simple fluid calculated, .
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06190226A (en) * | 1992-12-25 | 1994-07-12 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | Method of classifying particles in air flow and method for measuring concentration and particle size distribution of particles in air flow using same |
| KR20040043566A (en) * | 2002-11-19 | 2004-05-24 | 한국과학기술연구원 | Method and equipment for the measurement of diffusion coefficient of nano-particle fluids through hollow-fiber micropores |
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-
2016
- 2016-11-30 KR KR1020160161866A patent/KR101838707B1/en active IP Right Grant
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